Der Durchgang der Elektrizität durch Nichtleiter

  • Gustav Benischke

Zusammenfassung

Wir haben bisher vorausgesetzt, daß die Luft und sonstige die elektrischen Leiter umgebenden . Gase absolute Isolatoren seien, d. h. daß sie die Elektrizität nicht im geringsten zu leiten vermögen, sondern daß sie nur in einen Zwangs- oder Spannungszustand versetzt werden, der bei ruhender Elektrizität durch die elektrischen, bei strömender Elektrizität außerdem noch durch die magnetischen Kraftlinien charakterisiert ist. Unter gewissen Umständen, die im folgenden behandelt werden, zeigen jedoch die gasförmigen Stoffe Leitungsvermögen, so daß ein elektrischer Strom durch sie hindurchgehen kann, der sich in verschiedener Weise bemerkbar macht.

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Literatur

  1. 1).
    Geißler war der Glasbläser, der die Röhren nach den Angaben Plückers anfertigte.Google Scholar
  2. 1).
    Bei leicht schmelzbarem, thüringischem Natron-Glas ist das Fluoreszenzlicht grünlich, beim schwer schmelzbaren englischen Kali-Glas ist es bläulich.Google Scholar
  3. 1).
    Die Kathodenstrahlen werden von allen festen und flüssigen Stoffen sehr stark absorbiert, selbst von der dünnsten Glaswand, so daß es nicht möglich ist, ihre Existenz außerhalb der Glasröhre, in der sie erzeugt wurden, nachzuweisen. Nur durch ein äußerst dünnes Metallplättchen, das in die Glaswand eingeschmolzen ist (Lenardsches Fenster), gehen sie in ganz geringer Stärke hindurch.Google Scholar
  4. 1).
    Von größter Wichtigkeit ist diese Eigenschaft für die Heilkunde geworden. Da Knochen und Fleisch, sowie die verschiedenen Gewebe des menschlichen Körpers verschiedene Dichte und daher auch verschiedene Durchlässigkeit haben, so ist es möglich, Schattenbilder der Röntgenstrahlen zu erhalten, welche die Umrisse der Teile von verschiedener Durchlässigkeit zeigen. Da aber die Röntgenstrahlen vom Auge nicht wahrgenommen werden, so können diese Umrisse nur sichtbar gemacht werden, wenn man das Schattenbild auf eine photographische Platte fallen läßt und diese dann ebenso entwickelt wie eine belichtete Platte, denn auf die photographischen Platten wirken Röntgenstrahlen ebenso wie Lichtstrahlen. Die Röntgenstrahlen rufen auf manchen Stoffen, auf die sie auffallen, Fluoreszenzlicht hervor; am stärksten auf Barium-platinzyanür. Bestreicht man damit einen Papierschirm und stellt einen Körper zwischen diesen und eine Röntgenstrahlen aussendende Röhre, so sieht man in einem verdunkelten Raum das Schattenbild unmittelbar mit den Augen.Google Scholar
  5. 1).
    Je größer das Durchdringungsvermögen der Röntgenstrahlen ist, desto dunkler sind die von ihnen herrührenden Schattenbilder, und desto mehr verschwinden die Unterschiede. Röntgenröhren, welche solche Strahlen aussenden. werden als harte bezeichnet und umgekehrt.Google Scholar
  6. 1).
    Zunächst erscheint es unmöglich, sich ein Beharrungsvermögen denken zu können, das nicht an wirkliche chemische Masse gebunden ist. Wenn man aber bedenkt, daß das Beharrungsvermögen oder die Trägheit nichts anderes ist als eine Eigenschaft, welche besagt, daß ein Körper jeder Änderung seines Bewegungszustandes einen gewissen Widerstand entgegensetzt, so findet man, daß es etwas Ähnliches beim elektrischen Strom gibt. Nach dem Lenzschen Gesetze wird ja bei jeder Änderung eines Stromes ein. solcher sekundärer Strom induziert, daß er diese Änderung zu hindern sucht. Es tritt also ein Widerstand (und zwar ein Bewegungswiderstand im mechanischen Sinne, nicht Ohm scher Widerstand) gegen diese Änderung auf, ohne daß der elektrische Strom aus wirklicher chemischer Masse besteht.Google Scholar
  7. 2).
    Wer sich eingehender über diese Theorie, insbesondere über ihren Werdegang unterrichten will, sei auf den Vortrag von Lorentz (Leiden), ETZ 1905, Heft 24 und 25, und auf das Buch von Schmidt: „Die Kathodenstrahlen”, Braunschweig, 1907, verwiesen, ferner auf Righi „Die moderne Theorie der physikalischen Erscheinungen”. Leipzig, 1905. Müller-Pouillet „Lehrbuch der Physik” 10. Aufl. Bd. IV.Google Scholar
  8. 1).
    Diese Ansicht ist bereits von Hittorf ausgesprochen worden. Crook es hat sie in etwas phantastisches Gewand gekleidet (strahlende Materie als vierter Aggregatzustand). Unter dem Druck der energetischen Anschauungen ist jene wieder verlassen und in jüngster Zeit erst von Giese wieder aufgenommen worden.Google Scholar
  9. 1).
    Die Ladung und die Masse des positiven Elektrons für sich allein zu bestimmen, wie beim negativen Elektron, ist bisher nicht gelungen.Google Scholar
  10. 1).
    Reiger, Annal. d. Phys. 17, S. 935, 1905.Google Scholar
  11. 1).
    Berichte d. Deutschen Physik. Gesellsch. 1913, Heft 2.Google Scholar
  12. 2).
    Eine objektive Grenze zwischen dunkler Entladung und Glimmlicht besteht natürlich nicht, denn der Unterschied beruht nur auf unserer Sinneswahrnehmung und dem Helligkeitsgrad des Raumes.Google Scholar
  13. 1).
    Peek, Proceed. Am. Inst, of El. Eng. Bd. 31, 1912.Google Scholar
  14. 1).
    Bei der praktischen Verwendung von Hochspannungsapparaten in elektrischen Anlagen muß man wegen des geringen Spannungsabfalles der Stromerzeuger damit rechnen, daß jeder Funkenentladung ein Lichtbogen folgt, der einen völligen Kurzschluß bewirken kann.Google Scholar
  15. 2).
    Abb. 463—465 aus dem „Jahrbuch der Hamburgischen wissenschaftlichen Anstalten” XX von B. Walter. Es sind Aufnahmen auf bewegten photographischen Platten.Google Scholar
  16. 1).
    Es ist dies einer der Gründe, warum die öfter vorgeschlagene Spannungsmessung durch die Schlagweite der Funkenentladung unbrauchbar ist.Google Scholar
  17. 1).
    Schwedoff, Annal d. Phys. Bd. 19, S. 918, 1906..Google Scholar
  18. 2).
    Man hat daher die Anwendung stark gepreßter Gase (natürlich solcher, die nicht brennen und die Verbrennung nicht fördern, also z. B. Stickstoff) für Hochspannungstransformatoren,Schalter, Kondensatoren usw. öfter erwogen. Die Schwierigkeiten der Abdichtung der Gefäße sowie die Explosionsgefahr sind aber hindernd.Google Scholar
  19. 1).
    Bei einer größeren Anzahl hintereinandergeschalteter Isolatoren zeigt sich ferner noch, daß die Entladungen am ersten Isolator stärker sind und daß auch sein Material stärker auf Durchschlag beansprucht wird, als bei denen in der Mitte.Google Scholar
  20. 1).
    ETZ 1904, S. 387.Google Scholar
  21. 2).
    ETZ 1914, S. 387.Google Scholar
  22. 3).
    Läßt man unter gleichen Verhältnissen von verschiedenen Beobachtern den Eintritt des Glimmlichtes feststellen, ohne daß einer von den Angaben des anderen etwas weiß, so ergeben sich Unterschiede bis zu 100%.Google Scholar
  23. 4).
    Als Spannung des Glimmlichtes wurde jene angesehen, bei der nicht nur einzelne Lichtpünktchen (die nur von Staubteilchen oder kleinen Unebenheiten herrühren) auftreten, sondern eine gleichmäßige Lichterscheinung am ganzen Draht.Google Scholar
  24. 1).
    Görges, Weidig, Jaensch, ETZ 1911, S. 107L Dasselbe Drahtseil wurde in einer 110000 V.-Anlage angewendet. Messungen an der fertigen Leitung zeigten aber, daß trotz den Isolatoren die Verluste nur 5 Watt für 1 m betrugen, gegenüber 8,5 nach Abb. 476. (Mitteilungen des Dresdner Elektr. Ver. Nr. 16, 1913 und Zeitschr. d. Ver. deutscher Ing. 1913, Bd. 57, S. 1300.) Dieser um 70% größere Wert läßt sich aus Unterschieden der Temperatur, des Luftdruckes und der Wellenform der Spannung nicht erklären. Es sind eben alle Entladungsmessungen noch sehr unsicher, weil die Umstände, durch die sie unter verschiedenen Verhältnissen beeinflußt werden, noch nicht genügend bekannt sind. Darum sind auch alle Versuche, aus den Beobachtungszahlen empirische Formeln über den Eintritt der Glimmentladung und über die Verluste aufzustellen, wertlos. Eine zuverlässige Beurteilung einer Leitung für sehr hohe Spannung kann man nur auf Grund von Messungen im Freien bei verschiedenen Tages- und Jahreszeiten gewinnen.Google Scholar
  25. 2).
    Vgl. die Versuchsangaben des Verfassers in ETZ 1913, S. 1354. Der von Görges, Weidig und Jaensch erhobene Einwand, daß die daraus berechnete Feldstärke für die Anfangsspannung einen von anderen Beobachtern abweichenden Wert ergibt, beruht auf einer willkürlichen, falschen Annahme, denn es ist nicht die Anfangsspannung, sondern der Eintritt des gleichmäßigen Glimmlichtes in einem halbdunkeln Raum beobachtet worden, weil da die Ver-gleichung am sichersten ist. Dagegen ist der dort erwähnte Versuch von Görges usw. falsch angestellt worden, weil die beiden Versuchsanordnungen nicht gleichzeitig, sondern nacheinander angeschlossen wurden, so daß der Eintritt des Glimmlichtes, auf rein subjektiven, durch Suggestion beeinflußten Eindrücken beruht. Es wurde schon oben darauf hingewiesen, wie schlecht die Angaben verschiedener Beobachter über den Eintritt des Glimmlichtes, und selbst Messungen des Glimmlichtverlustes zusammenstimmen.Google Scholar
  26. 1).
    Schweidler, Sitzungsber. d. Akad. d. Wissensch. in Wien. Bd. 109 (IIa) 1900. Przibram, ebenda, Bd. 114 (IIa) 1905.Google Scholar
  27. 2).
    Zoellner, ETZ 1908, S. 1257; 1909, S. 95.Google Scholar
  28. 3).
    Auf den tatsächlichen Eintritt der Funkenentladung kommt es an, nicht auf dunkle oder leuchtende Vorentladungen, denn diese machen den betreffenden Apparat oder die Fernleitung nicht betriebsunfähig. Wenn die Vorentladungen den Isolierstoff verschlechtern, so vermindern sie eben die elektrische Festigkeit.Google Scholar
  29. 1).
    Elektroden in Form von konzentrischen Zylindern oder Kugeln oder gar Spitzen sind daher zur Prüfung von Isolierstoffen ungeeignet. Andererseits sollen die plattenförmigen Elektroden auch nicht zu groß sein, weil sonst die Kapazität derselben schon einen Einfluß ausübt (vgl. S. 544).Google Scholar
  30. 1).
    Bei dünnen Schichten solcher Stoffe, welche durch die dielektrischen Verluste (§ 181) erwärmt werden, kann sogar schon die durch dicht anliegende plattenförmige Elektroden bewirkte Abkühlung eine andere Durchschlagsspannung verursachen; vgl. die Versuche von Rayner, ETZ 1913, S. 1350.Google Scholar
  31. 1).
    Heydweiller, Annal. d. Phys., Bd. 17, S. 346, 1905.Google Scholar
  32. 2).
    Es ist in letzter Zeit viel von elektrischer Festigkeitsberechnung gefabelt worden, und es wurden in Büchern und Zeitschriften Berechnungen veröffentlicht, denen ein Durchschlagswert pro mm oder pro cm als Festigkeitskoeffizient zugrunde gelegt wurde. Wie aus dem Obigen hervorgeht, sind solche Rechnungen von vornherein falsch, weil der Schluß von der Festigkeit pro mm oder pro cm auf entsprechende Festigkeit einer dickeren oder dünneren Schicht falsch ist. In der Praxis werden auch solche Rechnungen gar nicht gemacht, sondern die jeweils erforderliche Schichtdicke wird Durchschlags-kurven wie in den obigen Abbildungen entnommen. Und auch das ist nur zulässig, wenn die Schicht nicht zu stark gekrümmt ist. Bei Zylinderschichten, wo die innere Mantelfläche viel kleineren Krümmungsradius hat als die äußere, ist die elektrische Beanspruchung innen und außen sehr verschieden, so daß auch für den Durchschlag andere Verhältnisse bestehen. Darum muß bei allen Apparaten und Maschinen die zulässige Betriebsspannung durch Versuche festgestellt werden, und die Dimensionierung neuer Konstruktionen muß auf Grund der Versuche an ähnlichen Apparaten erfolgen.Google Scholar
  33. 3).
    Daher darf man zu Versuchen über Durchschlagsfestigkeit keine Elektrisiermaschinen oder Funkeninduktoren oder kleine Transformatoren verwenden, sondern nur solche, welche normal d. h. bei nicht zu großem Spannungsabfall mindestens 0,2 A. Strom liefern können. Also ist bei 100000 V. ein Transformator von mindestens 20 Kilowatt normaler Leistung erforderlich.Google Scholar
  34. 1).
    In der amerikanischen Literatur ist öfter die Ansicht vertreten worden, als seien kurzdauernde Überspannungen (Spannungsstöße) den Isolierstoffen besonders gefährlich, namentlich dem Porzellan, weil Freileitungsisolatoren häufig durchschlagen werden, auch wenn sie vor ihrer Montierung höhere Prüfspannungen ausgehalten haben. Der Grund dafür liegt auf anderem Gebiete (Sprünge, Schlieren, innere mechanische Spannungen in der Porzellanmasse; vgl. ETZ 1917, S. 433). Jedenfalls tritt ein Durchschlag eher ein, wenn dieselbe Spannung dauernd wirkt, als wenn sie nur stoßweise auftritt. Die erwähnte falsche Ansicht beruht wohl auf einer falschen Analogie mit mechanischen Stößen.Google Scholar
  35. 2).
    Für die Praxis hat das die wichtige Folge, daß man fertige Apparate bei der Isolationsprüfung nicht bis in die Nähe des Durchschlages beanspruchen darf. Man erhält durch zu hoch getriebene Prüfspannung keine größere Sicherheit, sondern eine dauernde Verschlechterung des Isolierstoffes. Die Güte des angewendeten Stoffes muß man an solchen Probestücken prüfen, die nachher nicht zur Fabrikation verwendet werden.Google Scholar
  36. 3).
    Benischke, ETZ 1907, S. 95.Google Scholar
  37. 1).
    Daß hierin die Dielektrizitätskonstante nicht vorkommt, erklärt sich daraus, daß die Potentialdifferenz U 1U 3 konstant (gleich E) ist, und die elektrische Kraft immer gleich dem Potentialgefälle ist (§ 14). Nur bei konstanter Elektrizitätsmenge ist Kraft und Potential von der Dielektrizitätskonstante abhängig (§ 27).Google Scholar
  38. 1).
    Es ist eine grundfalsche Anschauung, daß ein Durchschlag schon erfolgt, wenn nur an einer Stelle oder in einer dünnen Schicht die Beanspruchung die Festigkeitsgrenze überschreitet. Wenn das richtig wäre, wäre es kaum möglich, höhere Spannungen hinreichend zu isolieren. Zu den besten Isolierstoffen, über die wir z. Zt. verfügen, gehört Papier, das im Vakuum getrocknet und mit einer Lackschicht überzogen ist. Bei allen Anwendungen solchen Papieres wird die elektrische Festigkeit der Papierschicht weit überschritten, ohne daß ein Durchschlag erfolgt, weil eben die Lackschicht den Durchgang der Elektrizität so lange verhindert, bis auch ihre Festigkeit überschritten ist. Vgl. auch S. 536, 547.Google Scholar
  39. 2).
    Nach W. Fellenberg, ETZ 1912, S. 585. Die elektrische Festigkeit wäre bei dieser zylindrischen Anordnung noch größer, wenn der Mikanitzylinder größeren Durchmesser hätte, so daß er einen dicken Luftzylinder umschließen würde, wie sich im folgenden zeigen wird.Google Scholar
  40. 1).
    Solche dicke Porzellanrohre erhält man, indem man mehrere Rohre ineinanderkittet oder zusammenglasiert. Die Durchschlagsfestigkeit ist aber kleiner als bei Hintereinanderschaltung von Porzellan und Luft nach Abb. 487.Google Scholar
  41. 2).
    Die umgekehrte Anordnung: Luft oder Öl außen, Porzellan innen, ist erheblich schlechter. Denn wie oben betont wurde, kommt es darauf an, durch eine Schicht, in welcher die elektrische Beanspruchung möglichst klein ist, eine Schirmzone herzustellen. Da bei zylindrischer Anordnung die Kraftliniendichte außen kleiner ist als innen, wird die Beanspruchung der äußeren Schicht noch weiter verkleinert, also die Schirmwirkung verstärkt, wenn ihre Dielektrizitätskonstante größer ist als die der inneren Schicht. Durch umgekehrte Anordnung kann die ungleiche Beanspruchung ausgeglichen werden, so daß keine Schirmwirkung besteht. Gorman hat in der Tat für Kabel die letztere Anordnung empfohlen. Die Versuche haben aber keine Verbesserung gezeigt (vgl. auch Humann ETZ, 1912, S. 1306). Es hätte eben der umgekehrte Weg eingeschlagen, nämlich die größere Dielektrizitätskonstante außen angeordnet werden müssen, um die oben betonte Schirmzone zu erhalten wie bei den Porzellandurchführungen nach Abb. 487.Google Scholar
  42. 1).
    Darum versenkt man auch, wo es möglich ist, die Elektroden in den Isolierstoff, oder bringt sie unter Öl, oder stülpt eine isolierende Kappe über sie.Google Scholar
  43. 1).
    Daher müssen die Kontakte der Ölschalter tief unter Öl sitzen, vgl. auch S. 401.Google Scholar
  44. 1).
    Darum erhält man aus Holz und Papier, die im gewöhnlichen Zustande nicht isolieren, gute Isolierstoffe, wenn die Poren durch Imprägnierung mit Paraffin oder Æl im Vakuum ausgefüllt werden, und wenn durch luftdichten Abschluß dafür gesorgt wird, daß sich die Imprägnierung nicht mit der Zeit verflüchtigen kann. Solches Holz kann daher nur unter Öl, solches Papier nur in Kabeln mit luftdichter Umpressung verwendet werden.Google Scholar
  45. 1).
    B ist die Glasurschicht, welche die beiden Rohre verbindet, q ist die Oberflächenglasur. Da die Glasur glasartig ist, erscheint sie in der Photographie dunkel.Google Scholar
  46. 1).
    Der Unterschied zwischen Vorentladungen und vollständigen Entladungen (Überschlägen) zeigt sich deutlich darin, daß jene auf dem nassen Dach nicht sichtbar sind (Abb. 494), während diese auf dem nassen Dach deutlich ausgeprägt sind.Google Scholar
  47. 2).
    Die Streifen in diesem Lichtbogen entsprechen den halben Wellen des Wechselstromes, weil sich der Lichtbogen infolge der elektrodynamischen Eigenwirkung (§ 82) erweitert.Google Scholar
  48. 1).
    Diese Temperaturen sind von der Stromstärke nahezu unabhängig. Die Steigerung der Stromstärke bewirkt nur eine größere Ausbreitung des Lichtbogens.Google Scholar
  49. 1).
    Über die Werte dieser Konstanten bei verschiedenen Elektrodenstoffen siehe Rasch, „Das elektrische Bogenlieht“, Braunschweig 1910.Google Scholar
  50. 2).
    Nach H. Ayrton.Google Scholar
  51. 1).
    Näheres über Quecksilberdampflampen: Polak ETZ 1907, Heft 24 und 26.Google Scholar
  52. 2).
    Bei genügender Spannung, genügender Leistung der Stromquelle und nicht zu großem Spannungsabfall in den Leitungen kann zwischen beliebigen Elektroden ein Wechselstromlichtbogen hergestellt werden, wie Abb. 99 einen zeigt.Google Scholar
  53. 1).
    Näheres bei: Tschudy, ETZ 1912, S. 1088; Schäfer, ETZ 1912, S. 1164; 1918, S. 321; Hartmann-Kempf, ETZ 1913, S. 253, 284; Epstein, ETZ 1913, S. 1415; Norden, ETZ 1913, S. 1479; Kruh, ElektroL u. Maschinenbau 1914, S. 845.Google Scholar
  54. 2).
    Wehnelt, Annal. d. Phys. 19, 1906.Google Scholar
  55. 1).
    ETZ 1903, S. 403.Google Scholar
  56. 2).
    Graetz, Annal. d. Phys. 62, 1897. Siegel, ETZ 1913, S. 970.Google Scholar
  57. 1).
    Poulsen. ETZ 1906, S. 1040.Google Scholar
  58. 1).
    Weil diese Schwingung selbstverständlich so lange andauert, als im Lichtbogen die aufgedrückte Schwingung erzeugt wird, wurde sie als „ungedämpfte Schwingung“ bezeichnet. Diese Bezeichnung ist unzutreffend, weil auch dabei Dämpfung durch Stromwärme und Kondensatorverluste besteht. Sachgemäß ist nur die Bezeichnung „dauernde Schwingung”.Google Scholar
  59. 2).
    Hahnemann, ETZ 1906, S. 1089.Google Scholar
  60. 1).
    Die obige Erklärung der Lichtbogenschwingungen nach Abb. 517 als erzwungene Schwingungen wurde vom Verfasser in ETZ 1906, S. 1212; 1907, S. 69 gegeben im Gegensatz zu anderen Erklärungsversuchen, die den Kondensator als eigentliche Ursache der Schwingungen hinstellen, so daß es Eigenschwingungen wären, die durch die Formel IX S. 410 bestimmt sein müßten. Das gilt aber nur von den durch Abb. 518 dargestellten Schwingungen 3. Art. Man bezeichnet auch die Veränderlichkeit des Lichtbogenwiderstandes als die Ursache der Schwingungen. Das ist aber nur eine selbverständliche Voraussetzung, die zur Erklärung nicht genügt (notwendige aber nicht hinreichende Bedingung). Denn in einem Leiter mit unveränderlichem Widerstand kann der Strom nur so verlaufen wie die Spannung. Andererseits ist aber auch der Widerstand jedes gewöhnlichen, stabilen Lichtbogens veränderlich, ohne daß Schwingungen in ihm entstehen. Aus obiger Erklärung erklärt sich auch die Beobachtung, daß die Lichtbogenschwingungen im allgemeinen nicht sinusförmig sind, während Eigenschwingungen immer sinusförmig sind.Google Scholar
  61. 1).
    Näheres bei Erlwein, ETZ 1907, S. 4L Schönherr, ETZ 1909, S. 365. Weinwurm, Elektrot. u. Maschinenb. 1915, S. 5.Google Scholar
  62. 1).
    Näheres bei Erlwein, ETZ 1907, S. 4L Schönherr, ETZ 1909, S. 365. Weinwurm, Elektrot. u. Maschinenb. 1915, S. 5.Google Scholar

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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1918

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  • Gustav Benischke

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